一、引言
为优化发动机(ICE)的工作区域以降低燃油消耗，减轻有害气体排放，混合动力电动汽车(HEV)得到了长足发展，其主要控制目标是要让发动机沿着最优工作曲线(OOL)运行。
近年来，一种新颖的混联式HEV驱动系统被提了出来，该系统利用一具有双转子结构的机电能量变换器EVT实现混合动力驱动电机、无级变速器、起动发电机和离合器的功能，使汽车传动系统大大简化[1]。
各国的研究者们根据不同的电机类型设计了不同结构的此类装置，例如荷兰Delft理工大学的Hoeijmakers教授与TNO汽车公司合作研发了感应式EVT原型样机[2]；瑞典皇家理工学院的Sadarangni等人提出并研制了永磁同步式4QT，并建立了实验台架，进行了工况仿真等[3]；美国Ohio州立大学的徐隆亚教授提出了DMP样机，对其数学模型和控制策略做了探索性的研究[4]。国内的中科院电工研究所，21所以及哈工大等高校也先后对此进行了研究。但对该装置还处于原理样机的可行性研究和机理分析阶段，尚有许多问题有待探索。
我们在中国国家自然科学基金的支持下，进行了感应式EVT的相关研究。本文从整车动力需求与控制的角度出发，研究了EVT的指标要求与设计方法，研制了适用于轻型轿车使用的EVT样机，并对电机进行了测试与实验。为了获得较高的功率密度，所设计的EVT采用较薄的外转子，为此研究了内外磁场耦合问题。
二、EVT样机本体设计
2.1 设计指标的确定
图1即为EVT的结构及其应用在汽车系统中的示意图，图中的EVT采用同心式分布结构，处于中间的外转子与定子构成外电机；处于内部的内转子与外转子共同构成内电机。外电机具有较大的径向尺寸，可以输出大转矩，因此适合做驱动电机，其输出轴与主减速器相连；内电机平均功率较小，适合做ICE输出功率分流用发电机，其输入轴与发动机相连。内电机作为电动机工作时还要兼顾ICE的起动机转矩转速特性。同时EVT在设计时还需要参考所装配车辆应用场合的输入输出力能指标。本设计以无级变速为主要目标，下面对其功率流进行分析。
图1 EVT结构及其在汽车系统中的分布
EVT装配在汽车上，因其输入轴与发动机输出轴相连，故内转子转速与发动机输出转速
一致，理想情况下内电机的电磁转矩
和发动机的输出转矩
的大小也相等；EVT的输出轴接汽车的主减速齿轮，其输出转速
由车速决定。理想情况下内电机直接传输的功率
，外电机输出的电磁转矩
，
为外转子轴输出转矩，与负载转矩
平衡。不考虑所有损耗时内、外电机的电磁功率
和
分别如式(1)、(2)所示：
(1)
(2)
式中
率大小相等，而且当速比
时两电机的转速、转矩相等；速比在1~2之间时，相对外电机而言内电机输出大转矩、低转速；速比大于2时则相反[5]。
为使系统效率最高，内电机的额定转矩设计值应跟发动机额定输出转矩一致，且其转矩转速特性必须满足起动发动机时的需求。如果考虑混合动力用驱动电机辅助助力的需求，外电机功率则可以适当加大。
2.2 感应式EVT样机研制
参考某轻型轿车的发动机和变速器参数（表1），设计了一台感应式EVT原型样机。
表1 所选车型发动机和变速器的主要参数
标准发动机
水冷直列4缸16气门电子控制多点喷射汽油机
最大功率
55kW/4750rpm
最大扭矩
130Nm/3750rpm
变速器
Tiptronic手自一体六档变速器
一档速比
4.15
二档速比
2.37
三档速比
1.56
四档速比
1.16
五档速比
0.86
六档速比
0.69
倒档速比
3.39
图2 感应式EVT原型样机
根据表1的参数需求所研制EVT的照片如图2所示。本设计在动力匹配上考虑了混合驱动的辅助能量源（各种蓄电池或超级电容等），因此，可选择最大功率较小的发动机，EVT电机体积也可以缩小，即内电机最高发电功率按满足车辆所需平均功率确定，因此可以缩小整个EVT的径向尺寸。所确定的EVT主要指标和尺寸如表2所示：
表2 所设计EVT的主要指标
外电机
内电机
额定功率
20kW
20kW
最高功率
30kW
55kW
最高转速
3000rpm
6000rpm
额定电压
200V
200V
额定频率
50Hz
50Hz
该EVT采用同心式双转子感应电机结构，外转子内外侧分别有独立的笼条和端环，分别与绕线式内转子和定子构成内电机和外电机。
三、实验测试
3.1 台架建设
为验证所设计样机的外特性与效率等性能，建立了如图3所示的测试台架。
图3 EVT样机测试台架
发动机和负载分别由另外两台感应电机模拟。外、内电机由两台独立的控制器控制，所有控制器的直流侧接同一直流母线。通过上位机采集转矩转速测量仪所测得的各机械量和功率分析仪测得的电量，并作出相应的处理分析。
3.2 测试结果
通过对外、内电机的单独工作测试了两者在电动和发电状态下的转矩、转速特性，并计算了各工作点的效率，绘制了外特性曲线和效率等位图如下：
图4 a) 外电机电动时外特性图
图4 b) 外电机发电时外特性图
图4 c) 内电机电动时外特性图 图4 d) 内电机发电时外特性图
主要结果见表3，从实验测试结果来看，外电机的过载能力比较强，其输出的最大功率与所选轿车发动机的最大功率相当。内电机的额定功率和过载性能都较设计指标差些，主要原因是内转子采用完全封闭在外转子内，没有考虑冷却措施，限制了电机功率。优化设计时必须将EVT的发热与冷却考虑在内。对比表2可见，所设计样机基本达到了指标要求，说明样机的参数与结构选择基本合理，为该类电机的精确设计打下了基础。
表3 EVT外、内电机参数测试结果
外电机
内电机
设定额定功率
20kW
20kW
设定基速
1800rpm
1800rpm
最大转速
3540rpm
5230rpm
最大转矩
282Nm
110Nm
最大输出功率
52.1kW
30.3kW
在进行内、外电机联合工作的实验时，在某些工作段出现了较大的转矩脉动，分析可能为内、外电机耦合磁场不同步所致，因为在样机设计时，为减小电机的尺寸，得到较高的比功率，外转子铁心采用高磁导率材料且轭部厚度较薄，以期在内、外电机之间建立统一磁场，实现部分能量的直接传递及内、外电机的统一控制，提高的系统效率，而目前采用的分立控制器没有考虑磁场耦合与同步控制。
四、磁场耦合的研究
上面所说的磁场耦合已经通过仿真及实验测试得到了验证。根据所设计样机的尺寸、材料和电气参数，用有限元仿真软件建立了2D模型，分别对外、内电机单独电动时的磁场分布情况做了仿真分析，结果如图5所示。
图5 a) 外电机工作时的磁力线分布和和内气隙磁密
图5 b) 内电机单独工作时的磁力线分布和外气隙磁密
图5 a)、 b)分别为外、内电机单独工作时EVT内部磁力线和对应外、内气隙磁密的分布情况，对比二图可以看出无论哪个电机单独工作，其通电绕组产生的磁力线除了大部分经由外转子铁心耦合外，还有少部分穿过非工作气隙进入内转子和定子铁心，由于外电机单独工作时定子绕组产生的磁势较大，因而这种效应更为突出。
图6 内、外电机同时工作时的磁力场分布
图6为两电机同时工作时的磁力线分布图，从中可以明显看出内外磁场的耦合，而且内外场的叠加会造成磁饱和。这对这对EVT的工作效率和冷却很不利，还会带来设计与控制的非线性与非单一性等问题。
磁场耦合在测试实验中也可以看出来。让外电机和内电机单独工作，分别固定内转子和定子并测量其绕组的开路感应电压，结果如图7所示，感应电压先是随着转速的上升而增加，基速以上由于恒功率弱磁控制的结果感应电压急剧下降直至为零，此时便不再有磁场耦合。
图7 a) 外电机电动时内转子绕组感应电压 图7 b) 内电机电动时定子绕组感应电压
如果有效利用这种耦合磁场，可以减小各电机绕组的励磁电流，提高系统效率，但此时两电机便不再独立，须控制内外磁场的同步转速和方向一致，否则会带来转矩波动。对耦合场的研究是研究EVT控制的关键，也是难点之一。
五、结论
本文给出了一种EVT的设计方法：外电机作为驱动电机功率应满足整车动力的全部功率要求；内电机通常作ICE的功率分流用，最大发电功率跟ICE额定值相等，电动时必须满足起动机的转速转矩特性。
研制了一台30kw/50kw EVT样机。从测试数据看，所选参数，结构基本合理。
内、外电机同时工作时的磁场耦合，有利于提高系统的比功率和效率，但也给设计与控制带来难度，需要进一步研究。
参考文献：
[1] 崔淑梅，程远，陈清泉．先进汽车电气变速器．电工技术学报，2006，21(10)：111-116
[2] M. J. Hoeijmakers and M. Rondel. The electrical variable transmission in a city bus. Proc. 35th IEEE Power Electronics Specialist Conf., Jun 2004, 2273-2278
[3] E. Nordlund and C. Sadarangani. The four-quadrant energy transducer, Proc. 37th Industrial Application Society Meeting, Oct 2002, 390-397
[4] L.Y. Xu. A new breed of electrical machines -Basic analysis and applications of dual mechanical port electric machines, Proc. 8th Int. Conf. on Electrical Machines and Systems, Aug 2005, 24-31
[5] 宁可望．双转子机电能量变换器的基础研究． 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文．哈尔滨：2006
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